碼頭堆場地基強夯加固對鄰近鐵路橋振動影響的研究

，， (.湖北工程學院 土木工程學院，湖北 孝感 432000；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 a.長江巖土工程總公司；b.市政與交通院，武漢 43000)

1 研究背景

強夯法加固地基成本較低,且可大幅度提高地基土的抗液化能力和強度并降低壓縮性，故在工程中往往作為地基處理的首選方法[1-2]?；趶姾环庸痰鼗膬?yōu)勢，在碼頭工程陸域堆場地基處理中經(jīng)常采取這一方法。然而強夯產(chǎn)生的巨大沖擊波會對周圍建筑物產(chǎn)生振動影響，有可能會破壞建筑物。尚軍雷等[3]分析了振動對鄰近建筑物的危害，給出了幾種振動源對周圍建筑物的影響規(guī)律；羅輝才等[4]探討了強夯振動危害及施工中應(yīng)采取的相應(yīng)減振措施，如設(shè)置減震溝等；方磊等[5]、安惠澤等[6]研究了強夯對鄰近建筑物影響的距離。

武漢港花山碼頭一期工程陸域“地塊2”設(shè)計有集裝箱重箱堆場，堆場地基承載力特征值要求>160 kPa。由于天然地基承載力不足，采取強夯法對該場地進行地基處理，以滿足重箱堆場使用要求。武漢化工新城鐵路專用線也從“地塊2”中穿過，依據(jù)碼頭陸域用地紅線，碼頭陸域堆場距離鐵路專用線只有10 m，見圖1。當采取高能級強夯時，強夯產(chǎn)生的巨大沖擊波會對鐵路橋產(chǎn)生振動影響，甚至有可能會破壞鐵路橋，導(dǎo)致鐵路專用線停運，造成嚴重的社會影響和重大經(jīng)濟損失；如果采取低能級強夯，能確保鐵路橋安全，但是地基處理效果可能不滿足場地使用要求。按照《強夯地基處理技術(shù)規(guī)程》[7],強夯施工振動對周圍建筑物和環(huán)境的影響評估和安全施工距離應(yīng)通過現(xiàn)場試夯振動測試確定。本文結(jié)合武漢港花山碼頭一期陸域堆場強夯試驗成果，研究了夯擊能量、安全施工距離與鄰近建筑物振動特征之間的關(guān)系，合理確定了安全施工距離和強夯工藝，以期使得碼頭陸域地基處理既滿足重箱堆場承載力要求，又確保鄰近鐵路專用線安全。

圖1 碼頭堆場及鐵路橋平面布置圖Fig.1 Plane layout of wharf yard and railway bridge

2 強夯試驗

2.1 地質(zhì)條件

強夯工程試驗區(qū)地面高程20～22 m，土石方填筑前主要是農(nóng)田與魚塘。地基土層為第四系全新統(tǒng)沖積層①層與更新統(tǒng)沖湖積層⑤-1層、⑤-2層及⑥層。①層以粉質(zhì)黏土為主，局部夾粉土夾粉砂及含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;⑤-1層以粉質(zhì)黏土為主，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土透鏡體，粉質(zhì)黏土多呈可塑狀，少量軟塑狀及硬塑狀;⑤-2層以硬塑狀黏土為主；⑥層為粉質(zhì)黏土。①層、⑤-1層承載力僅為80～100 kPa，且局部含淤泥粉質(zhì)黏土透鏡體，需要進行地基處理。地基處理區(qū)域典型工程地質(zhì)斷面見圖2。

注：圖中箭頭左側(cè)的數(shù)字表示標貫擊數(shù)圖2 典型工程地質(zhì)斷面圖Fig.2 Typical engineering geological profile

2.2 強夯試驗參數(shù)

強夯試驗區(qū)域布置在地塊2陸域堆場西南角，試驗區(qū)域與鐵路橋邊線最小距離20 m，最遠為60 m，寬度20 m，試驗區(qū)域面積800 m2，試驗區(qū)域夯點間距為4.5 m，夯擊擊數(shù)以最后兩擊沉降量≤5 cm為準，然后進行滿夯，參考同類工程給出表1擊數(shù)；點夯與滿夯間歇時間≥15 d，滿夯錘印搭接1/3，滿夯擊數(shù)為最后一擊下沉量<5 cm為準，強夯后檢測地基表面承載力。為確保鐵路橋安全，夯擊過程中夯點與鐵路橋的距離由遠及近，當強夯檢測鐵路橋振動超過《建筑工程容許振動標準》(GB 50868—2013)規(guī)定時，立即停止試夯。強夯試驗工藝參數(shù)見表1。參照《建筑工程容許振動標準》(GB 50868—2013)[8]規(guī)定,建筑物安全容許振動速度為4 cm/s，振動頻率≤10 Hz。

表1 強夯試驗工藝參數(shù)Table 1 Parameters of dynamic tamping test

2.3 鐵路橋結(jié)構(gòu)及測點布置

通過陸域堆場區(qū)域的鐵路專用線為預(yù)應(yīng)力“∏”型梁高架橋結(jié)構(gòu)，橋面寬9 m，跨距32.5 m，鐵路橋平面布置見圖1。橋梁結(jié)構(gòu)自下而上依次為Φ120 cm鉆孔灌注樁、2.5 m厚鋼混凝土承臺、鋼筋混凝土橋墩、“∏”型梁橋面，橋梁樁長33 m左右，樁尖位于中風化巖，鐵路橋設(shè)計斷面見圖3。

圖3 化工新城鐵路線基礎(chǔ)設(shè)計斷面圖Fig.3 Design foundation section of the railway line

為監(jiān)測鐵路橋在強夯作用下的振動影響，在鐵路橋○48軸橋墩布置傳感器A，在○48 軸與○49軸之間橋面布置傳感器B，分別監(jiān)測鐵路橋橋墩及橋面的振動速度最大值及主頻，測試儀器采用中科測控TC-4850測振儀，速度監(jiān)測采樣率為1 ms，采樣長度為8 kb。測試方向為水平向(垂直于鐵路橋方向)和豎直方向2個方向，監(jiān)測測點布置見圖1、圖3。

3 試驗成果分析

3.1 夯擊數(shù)對鐵路橋振動影響分析

按照表1強夯工藝參數(shù)，對不同夯能、不同間距作用下鐵路橋的振動速度、頻率進行統(tǒng)計分析。繪制3 000 kN·m和4 500 kN·m兩個級別的夯能位于鐵路橋30 m處夯擊數(shù)與鐵路橋橋面的振動速度之間的關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 夯擊數(shù)與鐵路橋振動速度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between tamping number and vibration velocity of railway bridge

從圖4可知：強夯前2擊的振動影響較小，隨后影響逐漸增加，第5擊影響最大;超過5擊后，強夯影響基本穩(wěn)定。分析其原因是強夯原始場地土質(zhì)松散，為非彈性土層，前2擊夯錘直接進入土體，消耗較多的夯擊能量，土體沉降量較大，因此，強夯作用不足以引起土體明顯振動。通過前5擊夯擊后，土體沉降減小，夯擊能量消耗減小，夯擊處土體變得密實，地層的強度增加，土體形成良好的彈性層，夯實后的土層為強夯引起的振動提供良好的震源傳播條件。隨著夯擊數(shù)增加，土體基本不再沉降，強夯振動影響基本穩(wěn)定。因此，強夯振動影響監(jiān)測中，應(yīng)密切關(guān)注第5擊以后的振動值，可以取最后5擊的觀測成果作為振動影響分析值。

3.2 夯能、夯擊距離與鐵路橋振動影響分析

通過第3.1節(jié)的分析可以得出，在滿足地基承載力標準的夯擊數(shù)內(nèi)，同一夯能振動影響研究值取最后5擊振動速度或振動主頻的平均值(當強夯擊數(shù)<5擊，但實測振動值大于控制標準時停擊夯擊，取實際擊數(shù)振動速度或振動主頻的平均值)。對強夯試驗中3 000,4 500,6 000 kN·m三個夯能對應(yīng)不同安全距離條件下的鐵路橋橋墩振動特征值(最后5擊平均振動速度和頻率)進行統(tǒng)計,見表2，繪制鐵路橋橋面不同夯能條件下振動速度、頻率關(guān)系曲線見圖5。

表2 不同夯能對應(yīng)鐵路橋橋墩振動影響監(jiān)測成果Table 2 Monitored vibration of railway bridge piercorresponding to varying tamping energy

圖5 夯擊距離對鐵路橋橋面振動影響關(guān)系Fig.5 Influence of tamping distance on the vibration of railway bridge deck

從表2可以看出：采取3 000 kN·m夯能時，最后2擊地基沉降<5 cm的錘擊數(shù)是12～16擊，對20 m以外的鐵路橋振動影響較小，強夯引起鄰近建筑物振動速度和頻率均滿足《建筑工程容許振動標準》要求。采取4 500 kN·m夯能時，最后2擊地基沉降<5 cm的錘擊數(shù)是9～13擊，對鐵路橋的安全距離是30 m，當強夯安全距離只有20 m時，強夯引起鄰近建筑物振動速度和頻率均不滿足《建筑工程容許振動標準》要求。采取6 000 kN·m夯能時，最后2擊地基沉降<5 cm的錘擊數(shù)是6～8擊，對鐵路橋的安全距離是40 m，當強夯安全距離位于30 m以內(nèi)時，強夯引起鄰近建筑物振動速度和頻率均不滿足《建筑工程容許振動標準》要求。

從圖5可以看出：采取6 000 kN·m夯能時，強夯引起橋面振動速度在40 m以外<4 cm/s，這一監(jiān)測情況與橋墩基本一致；夯擊點40 m以外的建筑物振動速度衰減較快。采取6 000 kN·m夯能時強夯引起振動速度的衰減規(guī)律為

y=0.002 1x2- 0.229 7x+9.509 7 。

(1)

式中x為離夯擊點的距離。振動速度與距離的擬合系數(shù)R2=0.996。

3.3 強夯地基承載力檢測

參照《強夯地基處理技術(shù)規(guī)程》，強夯地基承載力檢測采取重型動力觸探(N63.5)，試驗利用XY-100型鉆機，將一個鋼制的錐型探頭(錐角60°)連接鉆桿(鉆桿直徑42 mm)，用一質(zhì)量為63.5 kg的重錘，提升高度76 cm，將探頭擊入檢測土層之中，記錄每擊入10 cm的錘擊數(shù)。試驗完成后對錘擊數(shù)進行桿長校正，根據(jù)校正后的錘擊數(shù)，采用式(2)計算地基承載力特征值R(kPa)。

R=35.96n+23.8 。

(2)

式中n為重型觸探錘擊數(shù)。

試驗中，分別對3 000,4 500,6 000 kN·m不同夯能下強夯后的地基承載力檢測統(tǒng)計見表3。

從表3可以看出，3 000，4 500，6 000 kN·m不同強夯錘能作用下，地基處理有效深度分別為4，6，10 m(以滿足地基承載力特征值>160 kPa衡量標準)，強夯的有效處理深度除了與夯能大小有關(guān)外，與相應(yīng)地質(zhì)條件、土壤含水量也有關(guān)系。本工程強夯試驗地基承載力檢測值與對應(yīng)地基處理深度成果可為合理確定強夯工藝提供參考。

3.4 確定強夯工藝

本工程強夯試驗的主要目的是依據(jù)碼頭陸域堆場使用條件確定合理的鐵路橋安全距離和強夯工藝。強夯試驗表明，采取3 000 kN·m夯能時，陸域的安全距離是20 m，陸域可利用面積最大，但是單點強夯的夯擊為12～16擊，低能強夯處理地基的有效深度不足4 m，這一強夯工藝成本太高，地基處理深度偏小。當采取4 500 kN·m夯能時，陸域安全距離是30 m，陸域可利用面積偏小，單點強夯的夯擊數(shù)為9～13擊，地基處理有效深度約6 m。當采取6 000 kN·m夯能時，陸域的安全距離為40 m,錘擊數(shù)為6～8擊，地基的有效深度可以達到10 m。雖然陸域可利用面積最小，但是這一強夯工藝夯擊數(shù)小，夯擊成本低，施工速度快，地基處理深度大，地基處理滿足使用要求,成為強夯工藝的首選。

結(jié)合碼頭工程陸域堆場功能分區(qū)和鐵路橋布置，將陸域用地紅線與鐵路橋邊線之間設(shè)置10 m綠化帶、紅線范圍內(nèi)設(shè)置20 m場內(nèi)道路并預(yù)留10 m強夯緩沖帶(地基承載力要求120 kPa，不堆放集裝箱重箱)，確定強夯控制邊線與鐵路橋的安全距離為40 m，采取6 000 kN·m夯能。

4 結(jié) 論

(1)采用強夯法對地基進行處理時，應(yīng)充分考慮強夯振動對鄰近既有建構(gòu)筑物的影響，強夯施工前必須選取有代表性的區(qū)域進行強夯試驗，通過強夯試驗合理確定強夯安全距離和工藝參數(shù)。

(2)松散地基強夯前2擊的振動速度較小，當強夯擊數(shù)>5擊時，振動速度趨于收斂，以粉質(zhì)黏土為主的地基采取4 500 kN·m夯能時，30 m處建筑物的振動速度約3.783 cm/s，滿足建筑物振動安全容許值。

(3)以粉質(zhì)黏土為主的地基，強夯采取6 000 kN·m夯能時，其安全距離為40 m，陸域可利用面積最小，但是單點強夯的夯擊數(shù)<8擊，高能強夯處理地基的有效深度可以達到10 m，這一強夯工藝夯擊數(shù)小，夯擊成本低，施工速度快，地基處理深度大，地基處理滿足使用要求。

(4)強夯采取6 000 kN·m夯能時，強夯引起建筑物振動速度的衰減規(guī)律滿足二次函數(shù),即y=0.002 1x2-0.229 7x+9.509 7，擬合系數(shù)R2=0.996。

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